理論聯系實際 提升學生動手能力

高文宇

時代在進步，科技在進步，而我們的教育在推進科技進步中應當起到基石的作用。當下人工智能正處在科技的前沿，我們的基礎教育階段也在大力推進人工智能的教育。作為基礎教育中的重要學科，物理在其中扮演著重要的作用。

筆者認為當下基礎教育階段的人工智能教育主要是各種機器人項目的開展。其中比較流行的機器人種類，例如小學、初中階段的樂高系列機器人、VEX IQ系列機器人、WER能力風暴系列機器人;初高中提高型的機器人，例如FTC，VEX EDR等金屬機器人。

而我們目前開展的機器人教學主要分為編程和結構兩個方面。簡單來說編程就是如何用我們編制好的程序控制機器人完成指定任務，基礎教育階段教學編程基本上以可視化編程為主，例如scratch、樂高的EV3或者wedo教程、wer的vjc等，都是圖形界面的編程。我們控制機器人小車巡線或者避障，其結構主要是指我們用不同的機械結構來完成不同的機械任務，所以機械結構是目前機器人教學的重點和難點。也是我們生產和生活中各種應用的重點。

眾所周知，物理學科是科學的基石，是推動社會進步的重要學科，而且在人工智能領域中有著重要的作用。首先各種各樣的傳感器都屬于物理學研究范圍，例如灰度傳感器、紅外傳感器、顏色傳感器等，而機械結構的研究和應用也屬于物理學。例如舵機的使用、馬達的使用、齒輪的傳動等都是機器人項目開展的重要方面。但在基礎教育階段，學生普遍的學習方式是老師教、學生做，用刷題和考試來解決問題。這就導致學生普遍動手能力薄弱，以至于在生活中解決問題的能力也不強。而目前開展的機器人教學就給了我們一個新的方向，新的突破口，我們完全可以用理論聯系實際，提升學生的動手能力。

例如，我們去年在烏鎮的比賽BLASTGAME項目之一——投球，就是把小球投射的足夠遠。那么問題來了，我們用什么樣的結構來完成投射，什么樣的結構可以把球投的更遠呢。這就是我們可以理論聯系實際的一種機會。

方法一：我們接觸過的傳統的投射裝置有彈簧結構，就好像我們超市里放的游戲機那種彈簧彈珠一樣。但是我們選用的比賽器材樂高沒有彈簧這種器材，所以這是我們首先舍棄的一種方案。

方法二：彈弓原理。我們做一個類似彈弓的投射裝置，用橡皮筋做動力源，把橡皮筋的彈性勢能轉化成動能，獲得彈射小球的初速度，來完成拋投。這時能發現拋射距離受限于橡皮筋材料本身，獲取的初速度并不是特別大，并且就結構自身而言，我們要在有限的空間里控制投射角度，安裝難度大，畢竟橡皮筋能纏繞的圈數要越多越好。雖然能完成拋投動作，但是距離不夠遠，所以只能作為備選方案之一。

方法三：利用偏心輪上安裝驅動軸，我們在偏心輪上安裝驅動軸，利用齒輪傳動，能使得偏心輪在旋轉過程中帶動驅動軸一收一放，類似于炮彈發射裝置。但裝置受限于器材，馬達帶動偏心輪轉速和偏心輪尺寸大小不足以讓驅動軸獲得足夠大的能量，雖能夠發射推動小球拋投，但是投射距離依然很短，所以這個方案也被舍棄了。

方法四：利用摩擦傳動。我們都見過洗車機，是兩個豎直的旋轉裝置，汽車經過時高速旋轉能帶動上面的清潔布自動洗車。這種裝置在玩具中也比較常見，例如風火輪小賽車的軌道發射裝置就有。所以我們用馬達驅動，齒輪轉動帶動兩個橡膠輪轉動，兩個車輪轉動的方向要控制好一個順時針、一個逆時針，然后讓小球從短軌道上滾下來，經過兩個橡膠輪中間的空隙的時候，利用摩擦可以使小球獲得較大的初速度，盡管這種方案的安裝難度比較大，但拋投角度比較好控制，只是受限于電動機馬達的輸出功率，能獲得的初速度仍然有限，所以最終也只是我們的備選方案之一。

方法五：投石機原理，做一個很簡單的L型投射裝置，水平部分作為底座，豎直部分就是用連接件連載一起的彈性塑料桿子，就像撐桿跳的桿子一樣，因為有比較好的彈性，用力彎曲以后釋放小球就可以把小球投射出去。但經過試驗以后我們發現了幾個問題，一個是投射角度的問題，我們根據斜拋運動的知識知道是45°角可以把物體拋的最遠，而由于實際生活中的空氣阻力等因素，角度可以略大一點。所以我們又做了一個橫桿用以控制拋射角。而后出現的第二個問題是這個L型的底座，當我們用力彎曲豎直部分的豎桿時，底座容易翹頭，當我們發射時，由于底座對地面產生撞擊，能有很大的能量損失，所以我們要求學生在完成拋投發射動作時要壓緊底座以避免這種情況。經過實測，我們發現這種方案可以在有限的器材里把小球投的最遠，這是我們最終選定參賽的方案。

在上面設計比賽方案的過程中，我們充分利用了器材的所有配件，然后運用我們所學的物理知識，設計了種種機械結構來一個個實踐檢驗成果，通過比對來了解這些方案的優劣。這種有別于傳統物理教學的方法，能大大激發學生的學習興趣，既加強了學生對于理論知識認識的深度，又能增強了學生的動手能力，可以說是動手又動腦，理論聯系實際，是充分發揮學生主觀能動性的一種方式。

人工智能教育方興未艾，有很大的發展空間，也有很大的社會需求。我們傳統的物理教學要跟上時代的腳步，研究理論結合實際，更好的融合這兩門學科，讓學生們獲取更多的理論知識，提升學生們動手解決問題的能力。希望我們的物理教學能夠助推人工智能項目的發展，帶給學生更多的助力。